植物自身也能生成化肥？中国科学院分子植物科学卓越创新中心science论文揭示重要突破

为应对全球气候的变化，各国也在不断提高节能减排的要求。对于依赖工业化肥的植物来说，是否有一天也能自己生成化肥？

10月29日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jeremy Dale Murray（杰睿）研究组及合作团队就有重大发现，他们在国际学术期刊《科学》在线发表了题为 “NIN-Like Protein Transcription Factors Regulate Leghemoglobin Genes in Legume Nodules（根瘤起始类蛋白转录因子调控豆科植物根瘤中的豆血红蛋白基因的表达）” 的研究论文。该研究首次发现转录因子NLP家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制。同时研究还挖掘出该调控机制的进化和起源。

漫画为受访单位提供

简而言之，该研究揭示了豆科植物如何建造“固氮工厂”。

“生物固氮作为潜在的新型氮肥来源，对于农业可持续发展具有重要意义，我们的成果阐述了豆科植物固氮的新调控机制，这也为提高豆科植物的固氮能力提供了理论基础。”论文第一作者、分子植物卓越中心助理研究员姜苏育告诉第一财经。

农业绿色革命以来，氮肥主要来自化学生产，而自然界有天然的生物固氮系统——土壤中的固氮菌。豆科植物大多能与固氮根瘤菌建立共生关系，形成高效的“固氮工厂”——根瘤。根瘤中含有大量的固氮工具——类菌体。类菌体内的固氮酶能够将空气中的氮气转变成植物可利用的氨，同时植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物，从而互惠互利。

然而固氮反应过程需要消耗大量的能量，对植物来说是比较“昂贵”的交换，不仅如此，固氮酶对氧气高度敏感，需要在低氧环境中才能工作，但是宿主细胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧气。为了同时满足固氮酶、宿主细胞与根瘤菌的不同需求，根瘤细胞通过合成大量的共生血红蛋白（又名豆血红蛋白）来调节氧气浓度。

“豆血红蛋白类似人体血液中的血红蛋白，包含血红素和蛋白质。”论文通讯作者Jeremy告诉第一财经，结合了铁元素的血红素可与氧气结合降低其含量，同时，还可以将结合的氧气释放给类菌体供其呼吸。豆血红蛋白使根瘤呈现粉红色，因此豆科植物的根瘤看起来是粉红色的。

在双碳背景下，该研究发现也有重要意义。

对于已经存在数千万年的豆科植物，对农业的重要性不言而喻。由于能源成本的逐年提高，氮肥的生产成本也在增加。因此，生物固氮作为潜在的新型氮肥来源，对于农业可持续发展具有重要意义。

该研究成果有助于对水稻和玉米等非豆科植物实现自主固氮的研究，进而降低工业氮肥的使用，对于节约农业生产成本和生态环境保护具有重大意义。

“工业化肥的生产和施用对生态环境造成严重污染，如果实现非豆科植物固氮，提升植物氮素利用效率，就可以大大减少化肥的利用。不只是Jeremy，我们中心一共有三个研究组在做这个研究，而且这三个组的牵头人，他们都是前后一起加入的中心。”分子植物卓越中心副主任王佳伟介绍道。

Jeremy ，受访单位供图

谈及为何来到上海工作，Jeremy对记者说，在植物分子领域，这个研究所非常知名。“而且所里另外两个研究组的牵头人我们在英国时就已认识，我们都在做同一个领域的研究，他们也相继来上海加入到了中心。这里的研究团队比我在国外时大很多，可以去研究更多的东西。”